开题报告-网络摄像机云台高

1、毕业设计（论文）开题报告题 目网络摄像机云台高精度控制算法与实现学 院通信工程学院专 业通信工程姓 名班 级学 号指导教师一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义1、国内云台研究动态：随着社会的发展，视频监控行业在IT行业中逐渐占据一角，同样作为视频监控中摄像机的一部分云台，也扮演着重要的角色。云台是一种主要由两个高精度步进电机组成的用于承载镜头的支架，其中一个步进电机负责控制云台水平转动，另一个步进电机用于控制云台的垂直方向转动，从而使摄像机镜头能够在水平360°范围内，垂直180°范围内转动。带云台的摄像机已占据了视频监控行业的半壁江山，很多厂家都有专门负责云

2、台方面研究的团队。云台质量的好坏，主要在于预置位的精准度，预置位即是预先设定好一个位置，当需要摄像机镜头重新回到某个位置时候，只要调用预置位。回到预置位的偏差越小，说明云台的精度越高，做的好的厂家像大华、海康等视频监控厂家云台转动精度能达到0.2°以内，即设定一个预置的位置，云台转动到该位置的偏差不会超过0.2°。而精度差点的产品精度可能就大于这个值了，现在很多厂家都在致力于云台转动精度问题，主要是预置位的精度，以及如何自动矫正预置位的偏差，目前大部分云台都不带转动偏差校正功能，而市场上有转动偏差校正的云台虽然能在云台出现较大偏差时候进行校正，但是其每次转动的误差会比没有偏

3、差校正的云台误差大，因为校正的过程会引入偏差。因此，拥有转动偏差校正而且能够将校正误差减小的云台是许多公司的追求。2、选题依据和意义：云台在球型摄像机中扮演的角色非常重要。在一些大型场合，比如说大型超市，一般都安装球型摄像机，因为球型摄像机转动灵活，可以快速地转动到某个角度，也可以全场监控，当发现画面中的某个区域有异常情况时候，操作人员可以手动快速移动到那个区域，再利用摄像机镜头变倍功能可进一步查看异常区域。在一些大些场合，球型摄像机也可以设定几个预置位，然后启动自动巡航，每隔一段时间球型摄像机可以依据云台自动地切换另一个场景或画面，使用非常灵活。然而在一些大型场合若使用不带云台的摄像机，比如

4、枪型摄像机，其只能查看一个场景，不能切换场景，使用上非常不灵活。若需要查看几个场景的话，必须使用好几台枪型摄像机，大大的增加了成本及人力管理资源。由此可见云台在视频监控行业里也是一个重要的模块。我选择的课题是“网络摄像机云台高精度控制算法与实现”。选择该课题的目的是为了去研究如何通过软件进一步提高云台预置位的精度。现在大部分做视频监控的厂家云台控制的电路虽然所使用的控制芯片有所差异，但是其电路基本原理基本上都是类似的，但是有的厂家作出来的云台精度能达到很高，而有些厂家云台精度却是另一个档次，其中最重要的原因就是软件上设计的不好，存在一些缺陷或者说是存在一些转动误差没有克服。究其根本原因在于视频

5、监控行业起步比较晚，技术上发展水平赶不上国外的一些厂家，特别是软件的算法和编码。同样，作为视频监控行业的一个模块云台控制目前在国内没有一个标准的算法或者说是软件架构，大部分厂家都是自主研发的，做的好的厂家软件上的缺陷很少，而精度做的差点的厂家其软件上没能很好的克服转动误差，导致预置位出现偏差。云台这个模块网上的资料也比较少，百度上最多告诉你云台控制的大致原理，涉及到具体算法或者说软件架构几乎是一片空白。 选择该课题的意义在于提高云台预置位的精度。现在百度一下就知道一般云台的精度都在0.10.2度之间，而云台精度在0.01度左右的几乎没有。虽然这个硬件有一定关系，但是若是能将云台电机的最小微步数

6、减小到0.01度以下，那么只要软件上算法没有什么缺陷，有希望能将云台的精度精确到0.01度左右。选择本课题的目的是通过不断学习和实践，通过软件算法克服机械误差，使云台的精度提高到更好的水平。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：云台控制核心在于云台转动过程中的精度，或者说是到达某个预先设定好的位置的精度。因此研究的基本内容是如何通过软件算法克服云台机械上的误差，使云台预置位的偏差在0.01°范围左右。拟解决的问题：1、控制云台转动的步进电机最小微步必须小于0.01°现在很多厂家生产的步进电机，即使是高精度的步进电机，其精度也一般在0.9度/步左右，没有最小步距角在0.01度

7、以下的。因此必须借助外围电路，拟利用带细分功能的电机驱动芯片来实现驱动和细分电机的每一步，这样云台转动过程中没有抖动现象，再利用软件上的算法对高精度步进电机实现精确微分，克服云台机械上的偏差，使电机的转动的最小步距角能小于0.01度。2、云台安装好后，设定好预置位后，球机能达到先前设定的预置位。云台的最重要作用在于能够准确地到达预置位，而不是普通的转动。因此要实现云台能够准确地到达预置位，就必须借助传感器来实现。这里拟用光耦为云台建立坐标系，光耦触发主控芯片外部中断，一个光耦用于建立云台水平坐标原点，另一个电机用于云台垂直方向建立坐标系原点。然后在软件上利用该原点进行一系列的换算，依靠算法建立

8、云台虚拟坐标系，保证设定好的预置位后，云台能够准确地到达该预置位。3、通信协议的制定要实现对云台的高精度控制，必须要自定义一套通信协议，利用通信协议对云台下发一系列命令，使云台得到很好的控制，通信协议的定义必须考虑复杂度问题，过于复杂的协议云台会花费较多时间解析协议，不利于云台立即响应收到的命令；而过于简单的话会给后期命令的增加造成困难，因此需要一套合适的协议，这里拟用少于13个字节组成的一组数据作为命令的一种格式，具体命令待详细制定4、如何保证通信的可靠性除了拥有通信协议外，还有一个最重要的因素就是通信的可靠性，若云台通信不可靠，则在通信过程中容易出现死机或者说是下发的命令不再被执行，这种情

9、况的出现是非常危险的，像一些工作在监狱里的带云台摄像机，若是不能转动了，产生后果将是十分严重的，所以通信的可靠性在设计时候必须考虑周全。通信过程中必须保证云台时刻能够接收上层下发的命令，并且及时响应命令，对一些关键命令可以在算法上实现命令缓存，保证关键命令的有效执行5、如何克服机械设计上的误差总所周知，无论什么机械机构，总是存在一定的机械误差的，正如前人所说的“世界上没有两样完全相同的东西”，因此，在软件上必须有克服一定机械因素导致偏差的能力。比如说电机如何停止，假如在高速而且电机负载较大情况下，上面下发停止命令，算法上必须对电机做保护，让电机先减速再停止，如果过分依赖电机内部结构来停止的话会

10、对电机造成损害，同时也会产生转动偏差。6、如何测试云台的偏差假如没有一个很好的测量转动偏差的方法，即使云台转动存在偏差，我们也会发现不了，因此必须找出一个很好的办法能有效的检查云台转动存在的任何偏差。因为目前在视频监控公司实习，所以拟用镜头作为测试偏差的工具。将镜头固定在云台上，调到最大变倍，通过比较设定预置位时候的图像和回到预置位后的图像，来区别云台转动或者预置位的偏差，若两副图像上的内容偏差很大，说明云台预置位偏差较大，若两副图像肉眼看不出任何偏差，则说明云台精度很高。三、研究步骤、方法及措施：云台转动高精度实现涉及到软件模块和硬件模块，软件模块主要包括通信模块、电机运动模块两大模块，硬件

11、上包括电机模块、驱动微分模块、传感器模块、主控模块。通信模块主要包含通信协议制定、命令接收和发送接口、通信可靠性设计。电机运动模块包括电机细分算法和运动控制算法。电机模块主要由控制水平方向的电机和控制垂直方向的电机组成。驱动细分模块包含细分芯片和DA芯片。传感器模块主要是光耦。主控模块是以单片机LPC17XX系列中的一款芯片作为主控主要研究步骤和方法如下： 1、学习基于Cortex-M3内核的LPC17系列单片机英文手册LPC17XX.PDF，结合实际开发板，熟练掌握LPC17XX系列单片机的定时器模块，外部中断模块，GPIO模块，I2C通信模块，UART串口通信模块，SPI通信模块的使用2、

12、学习DA芯片的英文PDF手册，熟悉DA芯片的功能，主要掌握DA芯片的时序电路，能利用单片机编写时序电路，从而熟练运用DA芯片。3、学习光耦的工作原理，掌握光耦触发单片机中断的原理4、学习步进电机细分芯片的英文PDF手册，掌握电机细分芯片的功能及其使用方法，主要掌握步进电机细分芯片的时序电路及其使用5、学习步进的电机的基础知识，掌握电机相位方面知识和电机能够被细分的原理，了解电机运动时候相关注意事项主要实现措施：这里云台以基于Cortex-M3内核的单片机LPC1754为主控芯片，LPC1754上拥有的资源较多，这里主要利用其定时器模块、通信模块、外部中断模块、GPIO模块。 1、定时器模块：利

13、用定时器0和定时器1来分别负责控制电机1和电机2，即电机运动程序都在定时器中断程序里运行，保证电机运动时候不受其他因素干扰。定时器2和定时器3分别负责控制电机1和电机2的加速或者减速，保证电机在负载情况下能够正常启动和停止，不产生失步现象 2、通信模块：兼容UART串口通信和 I2C通信，利用UART或者I2C通信对单片机下发命令，或者单片机向其他设备反馈信息。利用SPI接口与一块DA芯片通信，对DA芯片下发命令，产生模拟电压3、外部中断模块：该中断由光耦产生，在产生中断的时候即将此时的位置信息作为坐标原点，可以利用算法建立坐标系4、GPIO模块：该模块主要与电机细分芯片相连接，软件上通过控制

14、GPIO口的高低状态配合DA芯片来控制电机的平稳运动，图1如下。 图1 软件框架四、研究工作进度：序号时间内容12012/09/16至2012/09/22了解单片机原理及相应功能22012/09/23至2012/09/29实践并掌握LPC1754单片机各个功能，比如GPIO端口 定时器，外部中断，I2C, SPI, UART的使用32012/09/30至2012/10/06阅读英文手册，学习并掌握DA芯片的使用42012/10/07至2012/10/13学习并掌握步进电机的驱动52012/10/14至2012/10/20学习并掌握细分芯片的使用62012/10/21至2012/10/27学习并

15、掌握光耦、齿轮和履带的使用72012/10/28至2012/11/02自定义电机控制相关通信协议82012/11/03至2012/11/09结合前面所学模块知识和通信协议调试云台控制92012/11/10至2012/11/16增加预置位存储和读取功能，测试云台转动情况，优化代码102012/11/17至2012/12/27毕业论文书写112012/12/28至2012/1/10整理代码及相关文档五、主要参考文献：1 朱正伟. 数字电路逻辑设计M. 清华大学出版社. 2011.2 王德安.基于单片机的步进电机控制J.自动化与仪表,2005,20(3).3 谭浩强. C语言程序设计第二版 M. 清华大学出版社. 2009.4 章坚武. 嵌入式系统设计与开发M. 西安电子科技大学出版社. 2009.5 周黎.步进电机控制系统建模及运行曲线仿真J.电机与控制学报,2011,15(1).6 周兴华. 手把手教你51单片机程序设计M. 北京航空航天大学出版社. 2007.7 鲍苏苏.多步进电机控制算法研究J.东华大学学报,2003,29(5).8 Joseph Yiu. ARM cortex-M3 权威指南M. 北京航空航天大学出版社. 2009.9 TI. DRV8812M. Texas Instruments Inco